2.1.2 Компенсаторы переменного тока (полярно - координатные и прямоугольно - координатные). Схемы и особенности компенсаторов переменного тока.
Компенсаторы переменного тока широко используются для измерения напряжений и ЭДС. переменного тока и косвенно ток, сопротивление, магнитный поток и другие величины. Применение компенсаторов переменного тока необходимо также при измерениях напряжений и ЭДС в таких цепях, в которых включение обычного прибора непосредственной оценки может нарушить режим этой цепи вследствие потребления мощности и тем самым исказить результаты измерений.
Принцип действия компенсаторов переменного тока
Компенсационный
метод измерения относится к методам
сравнения. Принцип действия компенсаторов
переменного тока заключается в том,
что измеряемое напряжение
уравновешивается известным напряжением
создаваемым рабочим током на участке
сопротивления рабочей цепи
.
Так как компенсирующее напряжение синусоидально, а измеряемое может быть искаженным, компенсация возможна только на первой гармонике. Поэтому в компенсаторе используется частотно-избирательный указатель равновесия.
В
зависимости от того, как производится
уравновешивание по значению и по фазе
известной и измеряемой ЭДС и в каких
координатах получается отсчет
,
потенциометры переменного тока
разделяются на две группы:
полярно-координатные и
прямоугольно-координатные.
Преимущества компенсаторов переменного тока по сравнению с другими измерителями ЭДС и напряжения заключается в большей информативности, обусловленной тем, что компенсатор позволяет измерить также фазовые соотношения параметров электрических цепей. Кроме того, компенсаторы не потребляют ток в момент измерения. С помощью компенсатора переменного тока можно определить не только ЭДС и напряжения, но и ток, комплексное сопротивление, его составляющие и другие величины
Принцип действия полярно-координатного потенциометра
Схема полярно-координатного компенсатора приведена на рис. 2.8.
Рис. 2.8 Схема компенсатора, измеряющего ЭДС в полярно системе координат
В
полярно-координатном компенсаторе
регулируется модуль и фаза компенсирующего
напряжения. Измеряемое ЭДС (напряжение)
подключается к зажимам
.
ЭДС определяется по положению указателей
движков
и
на
шкале калиброванной проволоки а – б и
магазина сопротивлений б – в. Фаза
напряжения на участке рабочей цепи
регулируется фактически до полного
отсутствия тока в цепи нуль-индикатора
НИ. Отсчет сдвига фаз производится по
фазорегулятору. Необходимое значение
рабочего тока устанавливается по
амперметру А при помощи реостата R.
Принцип действия прямоугольно-координатного потенциометра
Упрощенная принципиальная схема прямоугольно-координатного компенсатора приведена, на рис. 2. 9.
Рис. 2. 9. Схема потенциометра (а) для измерения напряжения и векторная диаграмма (б)
В
прямоугольно-координатном компенсаторе
компенсирующее напряжение создается
двумя регулируемыми напряжениями
и
сдвинутыми
на
.
Значение тока
устанавливается по амперметру А. Этот
ток создает на реохорде
падение напряжения, которое по фазе
совпадает с током
.
Магнитный поток катушки взаимной
индуктивности М совпадает по фазе с
током
.
Во вторичной обмотке катушки наводится
ЭДС
,
отстающая е от потока Ф и, следовательно
от тока
на
(рис..2.9,б):
(2.1)
Реактивное
сопротивление второго контура выбирается
намного меньше активного сопротивления.
Поэтому ток
практически совпадает с
и отстает от
на
.
Следовательно,
падение напряжения на реохорде
совпадает по фазе с током
.
При отклонении частоты от номинального
значения изменяется
при неизменном
,
что вызывает погрешность измерения.
Для компенсации частотной погрешности
во второй контур включено сопротивление
.
Сопротивление выбирается таким образом,
чтобы выполнялось условие:
(2.2)
Измеряемое
напряжение включается последовательно
с нуль-индикатором НИ и компенсирующим
напряжением, которое создается двумя,
сдвинутыми на
напряжениями
и
.
Изменяя напряжения
и
добиваются нулевого показания НИ. Это
значит, что выполняется условие
.
Модуль измеряемого напряжения вычисляется
по формуле:
,
(2.3)
а
угол сдвига фаз:
.
(2.4)
Для
того чтобы вектор компенсирующего
напряжения можно было получать в любом
из четырех квадрантов, средние точки
реохордов
и
электрически соединены.
Схема реального компенсатора отличается от приведенной на рисунке:
-
Компенсирующие напряжения по осям
и
образуются не только падением
напряжений на сопротивлении реохордов, но также на двух декадах ступенчато изменяющихся сопротивлений, которые включены таким образом, что при любом положении переключателей рабочий ток остается постоянным;
-
компенсирующее напряжение в четырех квадрантах получают переключением
полярности токов, протекающих по сопротивлениям, на которых образуется компенсирующее напряжение.
Основными источниками погрешности прямоугольно-координатного компенсатора являются:
-
Погрешность установки рабочего тока.
К сожалению, на переменном тока нет аналога нормального элемента, т.е. нет генератора, ДС которого на переменном токе была бы известна с такой же точностью, как и ЭДС нормального элемента. Поэтому для установки рабочего тока используют показывающий амперметр. Чаще всего используется амперметр класса точности 0,1;
-
дискретность отсчета по реохорду.
Погрешность дискретности обусловлена округлением младшего разряда результата измерения до целого значения. Абсолютная погрешность дискретности не превышает 1 мВ;
-
погрешность изготовления и изменения во времени значения сопротивлений,
на которых создается компенсирующее напряжение.
Из названных составляющих погрешности, первая является самой весомой.